Eine Variante der Elektrohydraulik

Unabhängig davon, für welche Art von Aktuator man sich entscheidet, gibt es eine sehr große, etablierte Infrastruktur für die Hydrauliktechnologie, die Energie in Bewegung umwandelt, um Maschinen zu bewegen und zu steuern. Das Marktforschungsunternehmen MarketsandMarkets schätzt, dass der globale Markt für Aktuatoren bis 2027 86,6 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Laut dem globalen Marktforschungsunternehmen Technavio wird der globale Markt für hydraulische Aktuatoren zwischen 2020 und 2025 um 426,6 Millionen Dollar wachsen. Einigen Schätzungen zufolge beherrscht die traditionelle Hydraulik mehr als 75 % des Marktes für Bewegungssteuerung. Anwendungen zum Testen der Struktur eines Autos oder Flugzeugs (oder zum Antreiben mobiler Maschinen) verlassen sich auf hydraulische Antriebe, weil sie eine hohe Energiedichte erreichen (z. B. 3.000 lbs. pro Quadratzoll für industrielle Anwendungen).

Ein wachsender Trend ist jedoch die Entwicklung und der Bau vollelektrischer Maschinen. Der Markt für vollelektrische Antriebe wird von Robotern für Anwendungen wie Punktschweißen, bewegliche Teile, Bohren und Lackieren dominiert. Die Marktforscher von Technavio stellten letztes Jahr fest, dass der Markt für elektrische Antriebe das Potenzial hat, zwischen 2021 und 2025 um 3,96 Milliarden Dollar zu wachsen. Laut den Forschern wird dieses Wachstum von Branchen wie der Automobilindustrie, der Wasser- und Abwasseraufbereitung sowie der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung ausgehen. In den mobilen Märkten zielen die Befürworter der elektrischen Betätigung darauf ab, herkömmliche hydraulisch betriebene Maschinen - die mit Gas- oder Dieselmotoren betrieben werden, um hydraulischen Druck zu erzeugen und diesen in lineare oder rotierende Bewegung umzusetzen - in Einheiten mit vollelektrischer Betätigung umzuwandeln. Bei vollelektrischer Betätigung verbraucht eine Maschine nur dann Energie, wenn die Anwendung dies erfordert; die Einheit hat jedoch möglicherweise nicht die gleiche Energiedichte wie ihr rein hydraulisches Gegenstück. Die vollelektrischen Lösungen für die Bewegungssteuerung benötigen immer noch ein Kraftwerk an Bord und eine Möglichkeit zur Stromerzeugung, sei es ein Dieselmotor oder eine große Batterie.

Eine dritte Option: hybride Betätigung

Neben der hydraulischen und elektrischen Betätigung gibt es noch eine dritte Möglichkeit: die elektrohydraulische Betätigung. Bei einem herkömmlichen elektrohydraulischen Aktuator erhält der Aktuator hydraulische Energie von einer durch einen Induktionsmotor angetriebenen Pumpe und steuert diese Energie über ein Servoventil zur Steuerung des Ausgangskolbens. Eine Variante der elektrohydraulischen Betätigung ist ein elektrohydrostatisches Betätigungssystem (EAS). Mit EAS verfügt der Maschinenkonstrukteur über ein System, das die elektrische Energie am Ort des Bedarfs umwandelt. Power on Demand bedeutet, dass ein bürstenloser Gleichstrom-Servomotor und eine angeschlossene Pumpe nur dann Strom beziehen, wenn das System ihn benötigt. EAS unterscheidet sich von einem zentralisierten System, das ständig Strom produziert und den ungenutzten Strom als Wärme verbrennt. EAS ermöglicht es Maschinenbauern, die Größe des Antriebssystems zu reduzieren und die Wärmeverschwendung zu eliminieren. Wenn der Elektromotor die modulierende Geschwindigkeit und Richtung des EAS steuert, eliminiert die Anwendung die Standby- oder überschüssige Energie, die nicht durch ein Servoventil fließt, das einen herkömmlichen hydraulischen Aktuator reguliert. Dieser Verlust beträgt etwa ein Drittel der zugeführten Leistung bei der Spitzenleistung des Stellantriebs.

Mit EAS kann ein Maschinenbauer oder -besitzer die Energiedichte einer hydraulischen Lösung mit den bedarfsgerechten Kosteneinsparungen von vollelektrischen Maschinen kombinieren. Denken Sie an eine herkömmliche Hydraulikpumpe, die ständig läuft. Praktisch gesehen benötigt die Maschine nur einen Teil der Zeit Hydraulikdruck, nämlich dann, wenn sie in Betrieb ist. Bei einer herkömmlichen Hydraulikkonstruktion ist dieser konstante Energiestrom, der zur Pumpe geleitet wird, nicht die effizienteste Lösung. Bei einer herkömmlichen Baumaschine wie einem Lader läuft der Dieselmotor des Fahrzeugs ständig, um die Hydraulikpumpe unter Druck zu halten.

Einige Maschinenbauer und -betreiber sehen einen Sweet Spot, bei dem sie die Energiedichte einer hydraulischen Betätigung mit elektrischer Energie erreichen können. Power on Demand ist ein attraktives Konzept, bei dem ein Maschinenbauer einen Servomotor mit einer Pumpe und einem Aktuator (d. h. mit einem Verteiler zur Integration verschiedener Sicherheitssteuerungen) in einem System kombinieren kann, um Hydraulik und Strom zu vereinen. Diese Kunden haben bereits mit rein hydraulischen Bewegungssteuerungssystemen gearbeitet und kennen die Kompromisse zwischen dem Energieverbrauch der hydraulischen Betätigung und den Kraftgrenzen der elektrischen Betätigung. Möglicherweise sind sie noch nicht bereit, auf ein vollständig elektrisches System umzusteigen. Oder sie wollen ihr hydraulisches System nicht aufgeben, da dies ihre Fähigkeit, einen Maschinenpark zu warten, beeinträchtigen würde. Stattdessen sehen sie einen Vorteil in einer Hybridlösung, bei der eine elektrisch angetriebene Pumpe bei Bedarf Hydraulikflüssigkeit bewegt.

Für jede dieser Antriebsmethoden gibt es gute Argumente. Maschinenbauer haben erfolgreich herkömmliche Hydraulikaggregate zur Erzeugung von Durchfluss und Druck für Anwendungen in der Stahlerzeugung, beim Kunststoffspritzguss und bei verschiedenen Testanwendungen eingesetzt. Mit elektrischen Antrieben und Motoren verwandeln die Hersteller von kompakten Baumaschinen beispielsweise diese ehemals rein hydraulischen Maschinen erfolgreich in umweltfreundlichere Fahrzeuge, die Neigung, Drehung und Zugkraft steuern. Die Energiekosten werden die Entwicklung des Marktes natürlich beeinflussen. Aber letztendlich werden die Kunden und die Maschinenhersteller den Markt in Richtung größtmöglicher Benutzerfreundlichkeit, Nachhaltigkeit und Gewinne lenken.

-Craig Lukomski, Produktmarktmanager, Simulation und Test, Moog